代 兵

(長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 長(zhǎng)春 130000)

鈦合金材料具有強(qiáng)度高、耐熱耐腐蝕以及抗氧化性能好等特點(diǎn)，受到醫(yī)療器械、航空航天、化工冶金等行業(yè)的廣泛關(guān)注[1]。與此同時(shí)，鈦合金材料由于具有較低的彈性模量、較差的導(dǎo)熱能力和易于黏結(jié)的特性而成為一種難加工材料。在加工過程中會(huì)造成其切削區(qū)域溫度升高，嚴(yán)重影響刀具切削刃的切削性能，極大地降低工件加工后的表面質(zhì)量，因此制約了鈦合金材料在精密產(chǎn)品上的推廣和應(yīng)用[2-3]。

近些年，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)鈦合金的精密加工進(jìn)行了大量的研究。ZHOU等[4]運(yùn)用超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)進(jìn)行切削加工，研究了超聲振動(dòng)對(duì)刀具的切削性能、切削力、使用壽命以及工件表面粗糙度的影響；喻棟[5]基于鈦合金材料的加工特性，設(shè)計(jì)了單激勵(lì)條件下的橢圓超聲振動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)鈦合金材料進(jìn)行了精密切削加工；廖鵬飛等[6]進(jìn)行了電塑性-超聲振動(dòng)耦合切削鈦合金試驗(yàn)，相比普通切削時(shí)的加工表面質(zhì)量有明顯改善；路冬等[7]通過有限元軟件建立鈦合金一維超聲振動(dòng)切削仿真模型，分析了切削速度方向施加的超聲振動(dòng)的切削效果。

上述這些研究，主要都集中在一維超聲振動(dòng)加工及利用有限元軟件進(jìn)行仿真研究等方面，而對(duì)二維超聲振動(dòng)加工的研究較少，且對(duì)切削力的理論分析也不夠完善。為進(jìn)一步降低鈦合金切削加工中的切削力，提高工件加工后的表面質(zhì)量，將二維超聲振動(dòng)輔助加工工藝應(yīng)用于鈦合金的切削加工過程，通過分析刀具的橢圓切削軌跡，構(gòu)建切削力數(shù)學(xué)模型，找出影響切削力的指標(biāo)因素；同時(shí)設(shè)計(jì)鈦合金二維超聲振動(dòng)切削試驗(yàn)，研究其切削加工效果，并與普通切削時(shí)的效果進(jìn)行對(duì)比。

1 二維超聲振動(dòng)加工理論分析

1.1 刀具軌跡分析

普通切削時(shí)，刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡在XOY平面內(nèi)是一條直線；一維超聲振動(dòng)切削是在刀具軸向或徑向1個(gè)方向上施加一定頻率和振幅的振動(dòng)，此時(shí)刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)螺旋狀曲線；而二維超聲振動(dòng)切削則是在2個(gè)方向上同時(shí)施加振動(dòng)，此時(shí)刀尖相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓形曲線，通過控制超聲振動(dòng)的相位差等，改變材料的切削機(jī)理，以提高其切削效率和加工質(zhì)量。二維超聲振動(dòng)切削原理如圖1所示，刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。

二維超聲振動(dòng)切削加工中，刀具和工件之間會(huì)產(chǎn)生周期性的接觸和分離，此時(shí)刀具的軌跡方程為[8-9]：

(1)

式中：A為x方向的超聲振幅，B為z方向的超聲振幅，ap為理論切削深度，v為進(jìn)給速度，n為主軸轉(zhuǎn)速，r為工件直徑，f為超聲振動(dòng)頻率，φ為x和z方向振動(dòng)的相位差。

1.2 瞬時(shí)切削力模型

在二維超聲振動(dòng)切削加工中，由于刀具在超聲振幅的作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡是橢圓形的，并以此方式對(duì)工件進(jìn)行斷續(xù)加工，刀具的振動(dòng)使刀具的剪切角變大，使得加工中產(chǎn)生的切屑厚度明顯低于普通切削加工時(shí)的[10]。因此，基于切屑厚度對(duì)切削力進(jìn)行理論建模，分析超聲振動(dòng)條件下的切削力變化情況。普通切削和超聲切削進(jìn)給方向的切削力為[11]：

(2)

(3)

式中：Fcm、Fum分別為普通切削和超聲輔助切削時(shí)進(jìn)給方向的切削力；Sx-y為XY平面內(nèi)的切削面積；τs為與剪應(yīng)力角相關(guān)的剪應(yīng)力流，可根據(jù)J-C本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算；α為刀具前角；β為切屑在前刀面的摩擦角；φtra和φult分別是普通切削和超聲切削加工中的剪切角；?則分別對(duì)應(yīng)超聲切削加工中刀具的切入和切出部分。

從式(2)、式(3)中可知：切削力主要由切削面積、剪應(yīng)力流和剪切角決定，而當(dāng)加工參數(shù)確定后，則只有切削面積屬于變量。

加工中的切削力根據(jù)麥錢特最小切削原則，通過微分可知其剪切角為[12]：

(4)

將式(4)代入到式(2)和(3)中，就可得普通切削和超聲切削加工中的切削力。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備與材料

試驗(yàn)設(shè)備主要包括車床、刀具系統(tǒng)、超聲振動(dòng)裝置，如圖3所示。其中車床為沈陽(yáng)機(jī)床廠的CAK4085數(shù)控車床，主電機(jī)功率為5.5 kW，主軸最高轉(zhuǎn)速為2 000 r/min；所用的切削工具為PCD車刀，刀尖圓弧半徑為200 μm；超聲發(fā)生器功率為50～250 W，頻率為0～35 kHz。加工材料尺寸為φ100 mm×300 mm的TC4鈦合金棒料，其元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

圖3 超聲振動(dòng)切削試驗(yàn)設(shè)備

表1 TC4鈦合金質(zhì)量分?jǐn)?shù) Tab. 1 Mass fractions of TC4 titanium alloy

2.2試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)前先精車鈦合金棒料，使其表面狀態(tài)一致，然后對(duì)其表面進(jìn)行切削試驗(yàn)，試驗(yàn)中為防止測(cè)力誤差不使用切削液。加工中通過超聲波發(fā)生器為刀具系統(tǒng)提供超聲信號(hào)，獲得的切削力等信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡、電荷放大器和測(cè)力儀等采集、放大、處理并測(cè)量。主要切削試驗(yàn)參數(shù)如表2所示，其中振動(dòng)頻率為0時(shí)代表普通切削，振動(dòng)頻率為30 kHz時(shí)代表超聲振動(dòng)切削。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 切削力測(cè)試

選取表2中的切削速度為60 m/min時(shí)進(jìn)行切削試驗(yàn)，用Kistle測(cè)力儀測(cè)量切削時(shí)的切削力，則不同切削方式下進(jìn)給方向上的切削力大小如圖4所示。

從圖4可以看出：普通切削中的切削力劇烈變化，說明其沖擊力較大，進(jìn)而使切削力出現(xiàn)較大幅度的抖動(dòng)情況；而在超聲切削加工中，切削力的變化基本保持在較窄幅度內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)切削力大幅震蕩的現(xiàn)象，說明超聲切削加工更平穩(wěn)。

為進(jìn)一步研究超聲振動(dòng)輔助條件下切削力的變化情況，分別采用表2中的不同切削速度進(jìn)行切削試驗(yàn)，分析進(jìn)給方向的平均切削力大小，并與普通切削進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同切削速度條件下切削力對(duì)比曲線

由圖5可知：2種切削方式下的平均切削力隨切削速度的增加都呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，但超聲切削的平均切削力小于普通切削的。這是由于隨著切削速度的增加，切削溫度逐漸升高，摩擦系數(shù)減小，從而使切削力變小。同時(shí)，由于超聲振動(dòng)的斷續(xù)切削作用加快，使刀具和工件之間的分離時(shí)間縮短，從而使超聲切削中的平均切削力低于普通切削時(shí)的。在切削速度為90 m/min時(shí)，普通切削條件下的平均切削力為76.6 N，而在超聲切削加工條件下的切削力為40.1 N，下降了47.7%。

3.2 工件表面微觀形貌分析

采用表2中的試驗(yàn)參數(shù)對(duì)鈦合金工件材料進(jìn)行加工，此時(shí)的切削速度為90 m/min，加工區(qū)域表面切削三遍后使用原子力顯微鏡測(cè)量已加工工件的表面形貌，測(cè)量區(qū)域是1 000 μm×1 000 μm的矩形，測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出：普通切削加工后的表面具有較深的劃痕，且劃痕之間分布不均勻，由于劃痕深淺不一導(dǎo)致工件加工質(zhì)量較差。在試驗(yàn)中對(duì)普通切削后刀具的切削刃前端進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)刀具前端出現(xiàn)了明顯的積屑瘤，且在刀具后刀面位置還可以觀察到輕微的黏結(jié)磨損；而超聲切削加工后的工件表面劃痕及溝槽明顯變淺，且相鄰劃痕之間的間距也基本統(tǒng)一，形成的表面質(zhì)量較好。試驗(yàn)中可以觀察到刀具的切削過程十分平穩(wěn)，加工后的刀具切削刃前端并沒有積屑瘤以及后刀面幾乎沒有黏結(jié)磨損產(chǎn)生。這是由于超聲切削中的刀具軌跡為橢圓曲線，改變了材料的切削機(jī)理，并對(duì)加工表面的劃痕和溝槽起到了平整作用。此時(shí)超聲切削時(shí)的切削力相對(duì)較小，切削過程也不會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。

為深入分析超聲加工的效果，對(duì)上述測(cè)量區(qū)域中的圖像明暗、紋理等三維信息，采用光學(xué)非接觸三維形貌測(cè)量系統(tǒng)對(duì)工件表面輪廓進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖7所示。結(jié)果顯示：超聲輔助切削后的工件表面輪廓范圍明顯低于普通切削時(shí)的。普通切削的表面輪廓高度范圍為0～3.0 μm，平均高度為2.2 μm，超聲切削表面輪廓高度范圍為0～1.9 μm，平均高度為1.3 μm，輪廓平均高度減小了40.9%。可見，采用超聲加工的表面更光滑，質(zhì)量大幅提升。

(a)普通切削 Ordinary cutting

3.3 刀具磨損情況分析

為進(jìn)一步分析二維超聲切削時(shí)的刀具磨損情況，采用普通切削和二維超聲振動(dòng)切削2種不同切削方式加工前述TC4鈦合金棒料的表面，參數(shù)如表2所示，此時(shí)的切削速度取值為60 m/min。試驗(yàn)過程中，根據(jù)國(guó)標(biāo)中規(guī)定的刀具后刀面最大磨損帶寬度VB= 300 μm作為刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)[13]，每間隔10 min用激光共聚焦顯微鏡對(duì)刀具的后刀面磨損帶寬度進(jìn)行拍攝與測(cè)量，當(dāng)?shù)毒哌_(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)后, 更換新的同樣刀具進(jìn)行另外一組試驗(yàn)，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同切削方式下刀具壽命對(duì)比

由圖8結(jié)果可知：在相同切削參數(shù)條件下，普通切削時(shí)刀具的磨鈍時(shí)間約為90 min，二維超聲振動(dòng)切削時(shí)刀具的磨鈍時(shí)間約為170 min。因此，采用二維超聲振動(dòng)切削時(shí)的刀具壽命明顯提高，比普通切削時(shí)的刀具壽命提高了近一倍。這是由于二維超聲振動(dòng)切削將連續(xù)加工變?yōu)閿嗬m(xù)加工，增大了切屑和刀具的散熱面積，降低了刀具切削刃處的溫度，并在斷續(xù)加工中降低了切屑對(duì)刀具的劃擦作用，因而增加了刀具的磨鈍時(shí)間。

為直觀對(duì)比刀具的磨損情況，在上述條件下以2種切削方式各切削120 min，然后采用掃描電鏡(SEM)對(duì)刀具后刀面磨損形態(tài)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可以看出：切削工件120 min后，普通切削后的刀具后刀面磨損較嚴(yán)重, 其磨損形態(tài)主要是刀面剝落、崩刃和刀尖破損，已達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)；而超聲切削后的刀具后刀面磨損相對(duì)較輕，其磨損形態(tài)主要是微崩刃和溝槽磨損，并且還能繼續(xù)使用，說明超聲切削可有效減小切削力對(duì)刀具的沖擊，大大提高了刀具的耐用度。

4 結(jié)論

基于二維超聲振動(dòng)切削工藝對(duì)鈦合金加工過程進(jìn)行分析，建立了刀具運(yùn)動(dòng)軌跡和切削力模型，找出影響刀具切削力的指標(biāo)因素，然后設(shè)計(jì)二維超聲振動(dòng)切削試驗(yàn)，研究二維超聲振動(dòng)加工對(duì)切削力、工件表面質(zhì)量以及刀具壽命的影響。得出如下結(jié)論：

(1)普通切削時(shí)的切削力存在較大幅度的抖動(dòng)，而超聲切削加工中的切削力變化幅度較窄、更平穩(wěn)。在切削速度為90 m/min時(shí)，普通切削時(shí)的平均切削力為76.6 N，而超聲切削加工時(shí)的平均切削力則為40.1 N，下降了47.7%。

(2)普通切削加工后的工件表面具有較深的劃痕，且劃痕之間分布不均勻；而超聲切削加工后的表面劃痕及溝槽明顯變淺，相鄰劃痕之間的間距也基本統(tǒng)一。對(duì)2種切削方式下的表面輪廓進(jìn)行測(cè)量，普通切削和超聲切削時(shí)的表面輪廓高度范圍分別為0～3.3 μm和0～1.9 μm，平均高度分別為2.2 μm和1.3 μm，后者的輪廓平均高度減小了40.9%。因而采用超聲加工的工件表面更光滑，其質(zhì)量大幅提升。

(3)在相同切削參數(shù)條件下，普通切削和二維超聲振動(dòng)切削時(shí)的刀具磨鈍時(shí)間分別為90 min和170 min，后者的刀具壽命比前者的提高了近1倍。且切削工件120 min后，普通切削后的刀具后刀面磨損較嚴(yán)重, 磨損形態(tài)主要是刀面剝落、崩刃和刀尖破損，已達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)；而超聲切削時(shí)的刀具后刀面磨損相對(duì)較輕，磨損形態(tài)主要是微崩刃和溝槽磨損，并且還能繼續(xù)使用，說明超聲振動(dòng)切削可有效提高刀具使用壽命。